電推進(jìn)航天器

鹿鳴

“霍爾推進(jìn)”、“全電衛(wèi)星”、“離子推進(jìn)”這些概念終于從學(xué)術(shù)論文和軍用衛(wèi)星項目中發(fā)展現(xiàn)了實用化的商業(yè)衛(wèi)星上并進(jìn)入了公眾的視野中。幾十年后，當(dāng)人類在火星基地和遠(yuǎn)征遙遠(yuǎn)星際的飛船中圃眸航天技術(shù)發(fā)展的時候，文末提到的三個新聞或許仍能博得人們的會心—笑。我們此時正處在—個人類昂首邁入浩淼的星辰大海的時代，推動我們向前的便是以電推進(jìn)、光推進(jìn)、核能推進(jìn)等技術(shù)為代表的星際遠(yuǎn)征時代的槳與帆。

先驅(qū)的凝望

電推進(jìn)技術(shù)在今天也僅僅算是剛開始擺脫萌芽狀態(tài)逐漸走向?qū)嵱茫鴫粝氲难酃鈪s早早地盯住了她。人類宇宙航行之父康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基留給后人的除了一句“地球是人類的搖籃，但是人類不可能永遠(yuǎn)活在搖籃里?！焙鸵粋€火箭推進(jìn)方程之外，還留給我們很多有關(guān)星際遠(yuǎn)征的想法。1912年，搖籃叔提出了探索臨近恒星的星際遠(yuǎn)航設(shè)想，并將軌道時間設(shè)定為10到40年。為了達(dá)到遠(yuǎn)航所需的速度，搖籃叔提出了借助電能將微粒加速到極快的速度并向后噴出，以此來獲得使飛船加速的反作用力的方法。也就是說，早在一百多年前，電推進(jìn)的概念便已形成。

要是繼續(xù)再去考據(jù)電推進(jìn)技術(shù)的來源的話，我們會找到一頁發(fā)黃的日記。1906年9月6日，一個青年在日記本上寫下了自己對高速運動的電子將會擁有巨大潛力的思考。這個青年叫戈達(dá)德，那一年他24歲。11年后，已成為克拉克大學(xué)助理教授的戈達(dá)德提交了一份專利申請，那時他已經(jīng)對電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了一些試驗。1920年12月公開的編號為USl363037A的專利成為了大家比較公認(rèn)的最早的電推進(jìn)系統(tǒng)。有關(guān)戈達(dá)德之后的事情，大家或許已經(jīng)很清楚了，他在1926年發(fā)射了人類第一枚液體燃料火箭。跟搖籃叔類似，他也留下了一句話：“昨天的夢想就是今天的

前輩的探索

火箭技術(shù)從此突飛猛進(jìn)，并逐漸影響著人們的幻想和戰(zhàn)爭的形態(tài)。不過，本文要和大家一起討論的是電推進(jìn)技術(shù)，在這里不得不將燃燒液體燃料或固體燃料的化學(xué)火箭這～段快進(jìn)過去了。

1960年6月，NASA劉易斯飛行研究中心（Lewis Research Center）的Kaufman教授研制成功了世界上第一臺實用型電推進(jìn)裝置，并將其命名為離子推進(jìn)器（ion thruster），摘得了電推進(jìn)領(lǐng)域的桂冠。不過，劉易斯飛行研究中心這個名字現(xiàn)在已經(jīng)找不到了，1999年該研究中心更名為格倫研究中心。后來有人提出抗議，于是名字又改成了劉易斯領(lǐng)域的格倫研究中心（John H.Glenn Research Centerat Lewis Field）。好在平時大家為了方便，都還是把她叫做格倫研究中心。該中心對改名這件事情有獨鐘，以前還曾用過“飛行推進(jìn)研究實驗室”和“動力裝置研究中心”等名字。

1964年7月20日，兩臺NASA制造的離子推進(jìn)器被裝到了SERT-1號（Space Electric Rocket Test-1空間電火箭實驗1號的縮寫）飛行器上由身材苗條的偵察兵火箭發(fā)射進(jìn)入亞軌道，其中一臺點火失敗，另一臺則成功工作了31分16秒，使得首次在太空啟動美國制造的離子推進(jìn)器的榮譽也到了劉易斯研究中心手中（要是一直保持這個名字的話，該研究中心能積累很多項榮譽?；蛟S是因為他們的新項目太多，比較任性吧）。

這種推進(jìn)器被稱作電子轟擊式離子推進(jìn)器（也有人為了紀(jì)念而將其稱為Kaufman式離子推進(jìn)器）屬于靜電式推進(jìn)器。一個空心的陰極放電簡向外釋放電子。電子在電磁場的加速下爭先恐后地去轟擊氣體室中的氣體（比如汞蒸氣、銫蒸汽、氨氣、氙氣等），使氣體電離成帶正電的離子。這些離子被電場加速后陜速噴出，產(chǎn)生推力。另外，一個被稱作電子中和槍的裝置在不停地向發(fā)動機噴出的離子噴流中發(fā)射電子，以便中和正離子流，讓航天器本身不會積累大量電荷。

1970年，SERT-2號飛行器被發(fā)射到1000km高的極軌道上。上面搭載的以汞離子為工質(zhì)的兩臺離子推進(jìn)器在空間環(huán)境中分別工作了2011小時和3781小時，并且總共完成了300次開關(guān)。美國早期的電推進(jìn)技術(shù)以這種離子推進(jìn)器（10nThruster.簡稱IT）為主。離子推進(jìn)器的比沖可以達(dá)到3000s，但是它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性不高，僅僅做好推進(jìn)器的配電裝置這一項也足夠難為那個年代的工程師們了。另外，汞和銫都需要加熱才能產(chǎn)生足夠濃度的氣體。當(dāng)離子噴出后，這些汞和銫會凝結(jié)并附著在飛行器表面，想想就讓人覺得不適。

以研究磁約束核聚變聞名的蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所在1954年制成世界上第一臺托卡馬克裝置。而在這之前的1953年，他們就啟動了一種名為脈沖等離子體推進(jìn)器（Pulsed PlasmaThruster.簡稱PPT）的電推進(jìn)系統(tǒng)的研究。不出所料，這種電推進(jìn)系統(tǒng)后來被劃歸為電磁式推進(jìn)系統(tǒng)。在這種發(fā)動機的“燃燒室”內(nèi)，電壓高達(dá)3kV，工作時間在幾十微秒之內(nèi)的電脈沖將推進(jìn)劑燒蝕成等離字體。等離子體在電磁場的加速作用下高速向后噴出，形成推力。推進(jìn)劑通常選用氯化鋇或者聚四氟乙烯（就是我們常見的不粘鍋涂層）。這種發(fā)動機可以通過調(diào)節(jié)電脈沖的占空比來比較精確地控制推力的大小。另外，用作推進(jìn)劑的聚四氟乙烯占用體積小，能在高真空度和極低溫的環(huán)境中長期存放，穩(wěn)定可靠。

1965年11月，蘇聯(lián)的金星2號深空探測器裝上了6臺脈沖等離子體推進(jìn)器向金星進(jìn)發(fā)。這是電推進(jìn)技術(shù)首次應(yīng)用在深空探測領(lǐng)域。雖然后來該探測器的通訊設(shè)備失靈，使得探測器掠過金星后改為繞太陽飛行，但是足以證明電推進(jìn)技術(shù)是可以擔(dān)當(dāng)重任的。此后10年，蘇聯(lián)做了一些地面試驗和一次空間試驗，用來分析脈沖等離子體的噴流對航天器通訊系統(tǒng)的干擾，明顯是對逝去的金星2號念念不忘。再后來，莫斯科航空學(xué)院繼續(xù)對這種推進(jìn)器進(jìn)行研究，開發(fā)出了一系列用于空間精確定向的小型發(fā)動機。

美國也在開發(fā)自己的脈；中等離子體推進(jìn)器（PPT），并且比蘇聯(lián)還要執(zhí)著。1968年，美國將PPT用在了通訊衛(wèi)星的位置保持系統(tǒng)上。后來在整個70年代和80年代，PPT成了美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星的老朋友。不僅子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星的后兩顆星上用了PPT，就連子午儀衛(wèi)星的升級版——諾娃系列衛(wèi)星上也全都采用了PPT來補償阻力對衛(wèi)星軌道的干擾。上世紀(jì)70年代，美國為了讓PPT的應(yīng)用范圍更大些，花了大量人力物力來努力增大PPT的總沖。可惜這項為期10年的項目終于因為沒法讓電容器的壽命符合要求而作罷，也是蠻拼的。

還有一種電推進(jìn)的形式是用電阻或者電弧來加熱工質(zhì)。工質(zhì)受熱膨脹后經(jīng)噴管噴出，產(chǎn)生推力。這種電推進(jìn)的技術(shù)含量比較低，也就不細(xì)說了。其實我們?nèi)粘Ｉ钪幸材芤姷竭@種推進(jìn)器，比如正在放氣的電高壓鍋。不過，值得一提的是，電熱式推進(jìn)器成本低廉，并且其工質(zhì)幾乎可以是航天器上能找到的可以煮的任何材料，其中當(dāng)然包括生活垃圾、循環(huán)利用之后的宇航員的糞便、尿液的殘余物之類的。我們就掩鼻路過算了吧。

至此，我們對靜電式、電磁式和電熱式三大類電推進(jìn)系統(tǒng)有了一個初步的了解。其中，靜電式推進(jìn)器我們以電子轟擊式推進(jìn)器為例，電磁式推進(jìn)器我們以脈沖等離子推進(jìn)器為例。但是，還有一種推進(jìn)器，她也屬于靜電式推進(jìn)器，但又與電子轟擊式推進(jìn)器不同。她便是已經(jīng)引起很多人關(guān)注的霍爾推進(jìn)器。

霍爾推進(jìn)

1879年，美國物理學(xué)家霍爾于在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電壓。這個電壓叫做霍爾電壓。這—現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)涉及了電場力與磁場力，是庫倫與洛倫茲之間的一場角力，當(dāng)然也是國內(nèi)高中物理習(xí)題中的?？?，是美國物理學(xué)家對人類的一大貢獻(xiàn)。

然而，霍爾推進(jìn)器是蘇聯(lián)人發(fā)明的。

1962年，蘇聯(lián)科學(xué)家莫羅佐夫提出了靜態(tài)等離子推進(jìn)器（stationarv PlasmaThruster，簡稱SPT）的概念。推進(jìn)劑氣體一部分通過陽極進(jìn)入環(huán)形放電室，一部分進(jìn)入空心陰極。在推進(jìn)器內(nèi)部，有一對互相垂直的電場和磁場（電場沿軸向方向，磁場沿徑向方向）?？招年帢O是一個維持穩(wěn)定放電的電子源。其產(chǎn)生的電子在徑向磁場的洛倫茲力的作用下，形成了一個做圓周運動的電子束。這個電子束便是霍爾電流的來源。霍爾電流在磁場中產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。在軸向電場的相互作用下.歡騰的電子與推進(jìn)劑激烈碰撞并使推進(jìn)劑電離。在電磁場的作用下，推進(jìn)器內(nèi)部的離子產(chǎn)生軸向加速度，并最終高速噴出，形成推力。

另有一種TAL推進(jìn)器，是帶陽極層--的靜態(tài)等離子推進(jìn)器（SPT），是另—種霍爾推進(jìn)器，也是蘇聯(lián)人提出來的。但人們對她的研究遠(yuǎn)不如SPT那樣多。因此，從這里開始，霍爾推進(jìn)器（HL）也就是指的靜態(tài)等離子推進(jìn)器（SPT）。

SPT的放電電壓是PPT的十分之一左右，因此其可靠性可以做得比PPT更高一些。在上世紀(jì)70年代，PPT已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)工作幾千個小時并維持40%左右的工作效率。1971年，霍爾推進(jìn)器進(jìn)行首次太空實驗。在蘇聯(lián)的“流星”衛(wèi)星上，400W的霍爾推進(jìn)器讓衛(wèi)星的軌道高度提升了16.5km?；魻柾七M(jìn)器的結(jié)構(gòu)簡單（雖然其工作原理說起來比較拗口），可靠性高，比沖大（可達(dá)3000s以上）并且能夠與航天器的其他系統(tǒng)和平相處，于是大受歡迎。蘇聯(lián)在流星、熒光屏和地平線等衛(wèi)星上廣泛應(yīng)用著霍爾推進(jìn)器，并快速形成了以SPT命名的發(fā)動機系列。

美國在上世紀(jì)80年代也對霍爾推進(jìn)器進(jìn)行了大量研究，但是其性能卻始終難以達(dá)到蘇聯(lián)霍爾推進(jìn)器的水平。不過，一個重大的事件讓蘇聯(lián)神秘又先進(jìn)的霍爾推進(jìn)器走向了世界。1991年底，蘇聯(lián)解體。這一事件發(fā)生后不到100天，4臺SPT-70霍爾推進(jìn)器便出現(xiàn)在了NASA的實驗室中。不過大家不要過早驚訝，如果這時候我們?nèi)ASA的JPL（噴氣推進(jìn)實驗室）看一眼的話，還會發(fā)現(xiàn)一臺SPT-1 00霍爾推進(jìn)器的實驗樣機。SPT-100是蘇聯(lián)解體前準(zhǔn)備為其地球同步軌道衛(wèi)星裝備的大功率霍爾推進(jìn)器（功率是SPT-70的2倍，總沖是SPT-70的3倍）。

1992年，美國、俄羅斯和法國聯(lián)合成立了國際空間技術(shù)公司。SPT-100霍爾推進(jìn)器成了國際明星。1993年，法國與俄羅斯法克爾（Fakel）設(shè)計局聯(lián)合成立了科研團(tuán)隊，并在法國和俄羅斯的共同專利下生產(chǎn)了PPS-1350霍爾推進(jìn)器。（提到俄羅斯法克爾設(shè)計局，很多人會立刻想到鼎鼎大名的S-300和S-400等防空導(dǎo)彈，實際上該設(shè)計局對空間電推進(jìn)技術(shù)的研究也是非常厲害的。）

2001年，一枚阿麗亞娜-5號火箭將法國通訊衛(wèi)星STENTOR送入軌道。該衛(wèi)星上面安裝了兩臺SPT-1 00和兩臺PPS-1350共4臺霍爾推進(jìn)器。

再往后，我們大家熟知的SMART01就登場了。2003年9月27日歐空局ESA第一個月球探測器SMART-1發(fā)射升空。歐空局對該探測器的介紹讓更多人了解了霍爾推進(jìn)器。當(dāng)我們知道該推進(jìn)器的型號是PPS-135OG的時候，也就能大概知道這背后的淵源了。

2015年2月19日（正月初一），中國霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)實現(xiàn)了18000小時的壽命突破。美國東部時間2015年3月1日晚10點50分，波音公司研制的兩顆全電動商用衛(wèi)星搭載Space×公司的獵鷹九號火箭發(fā)射。2015年3月6日，NASA的“黎明”號探測器成功進(jìn)入谷神星軌道。這個事件涵蓋了地面試驗、地球同步軌道衛(wèi)星和深空探測三個領(lǐng)域，但它們都與航天飛行器的電推進(jìn)技術(shù)有關(guān)。星際遠(yuǎn)征的時代，離我們已經(jīng)很近了。

責(zé)任編輯：邢強